[论文解读] Viable inhomogeneous model universe without dark energy from primordial inflation

David L. Wiltshire|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2005

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 8

一句话总结

本文提出了一种无需暗能量的非均匀宇宙模型，其中我们的可观测宇宙是一个在空间平坦的体宇宙中分布的低密度、分形结构的气泡。通过原初暴胀和对宇宙学观测的重新分析，该模型在不引入加速膨胀的前提下解释了超新星数据和大尺度结构，预测宇宙年龄为15.3 ± 0.7 Gyr，与早期结构形成一致。

ABSTRACT

A new model of the observed universe, using solutions to the full Einstein equations, is developed from the hypothesis that our observable universe is an underdense bubble, with an internally inhomogeneous fractal bubble distribution of bound matter systems, in a spatially flat bulk universe. It is argued on the basis of primordial inflation and resulting structure formation, that the clocks of the isotropic observers in average galaxies coincide with clocks defined by the true surfaces of matter homogeneity of the bulk universe, rather than the comoving clocks at average spatial positions in the underdense bubble geometry, which are in voids. This understanding requires a systematic reanalysis of all observed quantities in cosmology. I begin such a reanalysis by giving a model of the average geometry of the universe, which depends on two measured parameters: the present matter density parameter, Omega_m, and the Hubble constant, H_0. The observable universe is not accelerating. Nonetheless, inferred luminosity distances are larger than naively expected, in accord with the evidence of distant type Ia supernovae. The predicted age of the universe is 15.3 +/-0.7 Gyr. The expansion age is larger than in competing models, and may account for observed structure formation at large redshifts.

研究动机与目标

• 开发一种宇宙学模型，以在不引入暗能量的前提下解释观测到的光度距离和结构形成。
• 通过在非均匀框架下重新诠释宇宙学观测，解决观测到的宇宙加速与缺乏暗能量之间的矛盾。
• 通过重新分析时钟同步与几何结构，调和观测到的宇宙年龄与早期大尺度结构形成之间的矛盾。
• 证明仅通过哈勃常数和物质密度参数即可定义该模型中可观测宇宙的平均几何结构。

提出的方法

• 构建空间平坦体宇宙中包含一个低密度、非均匀分形气泡的束缚物质系统的完整爱因斯坦方程解。
• 区分平均星系中的各向同性观测者与空洞中共动时钟之间的差异，主张仅前者与真实的物质均匀表面一致。
• 利用由Ω_m和H₀定义的平均几何结构，重新分析宇宙学观测——光度距离、年龄和红移演化。
• 应用原初暴胀框架，以解释观测到的非均匀结构和时钟同步。
• 仅以哈勃常数和物质密度参数作为输入参数，定义模型的平均膨胀历史。
• 从模型的几何与动力学结构推导出膨胀年龄，避免对暗能量或加速膨胀的假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个不包含暗能量的宇宙能否重现Ia型超新星观测到的光度距离数据？
• RQ2 在空间平坦的体宇宙中，非均匀物质分布如何影响宇宙时钟和观测的解释？
• RQ3 在一个膨胀不加速但结构早期形成的模型中，宇宙的预测年龄是多少？
• RQ4 为何在非加速、非均匀的宇宙中，推断出的光度距离会超过朴素预期？
• RQ5 星系中时钟的同步与空洞中共动时钟相比如何，这对宇宙学测量有何影响？

主要发现

• 该模型预测宇宙年龄为15.3 ± 0.7 Gyr，显著长于无暗能量标准模型的预测。
• 在无加速膨胀的情况下，光度距离大于朴素预期，与Ia型超新星观测一致。
• 该模型的膨胀年龄超过其他竞争模型，可能解释高红移处大尺度结构的存在。
• 平均星系中的各向同性观测者所经历的时间与真实的物质均匀表面一致，而非与空洞中的共动时钟一致。
• 该模型通过重新诠释几何结构与时钟同步，在不引入暗能量的前提下解释了表观宇宙加速。
• 宇宙的平均几何结构完全由两个测量参数Ω_m和H₀决定，无需额外自由参数。